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EPB卡钳EOL性能在线测试系统
2021-11-16 10:15:46· 来源：汽车制动之家
摘要: 针对目前电子驻车系统EPB(electrical parking brake)的执行部件EPB卡钳的EOL（end of line）性能在线测试方法不够完善的现状，引入计算机控制、高精度数据
摘要: 针对目前电子驻车系统EPB(electrical parking brake)的执行部件EPB卡钳的EOL（end of line）性能在线测试方法不够完善的现状，引入计算机控制、高精度数据采集、MSA测量系统分析等技术，设计具有快速正反转切换且防过冲功能的测试电路以及模拟EPB卡钳驻车制动机构，研制一套EPB卡钳EOL性能在线测试系统，利用特征点处理算法对测试数据处理，实现对EPB卡钳电流、力值特性的检测和评估，并对系统重复性和不确定度进行评定，测量能力指数均大于1.33，评定结果均符合相关标准。
1 EPB卡钳工作原理与EOL测试需求分析
系统针对电机集成式EPB卡钳的EOL性能检测展开研究。集成式EPB卡钳取消了拉索机构，将电机集成在制动卡钳上，其主要结构分为3部分：直流电机、减速机构和钳体总成。EPB卡钳工作原理如下：
如图1所示，施加驻车制动时，控制单元接收驻车制动信号，响应并输出控制压力启动电机，电机通过减速机构传导的力传动螺杆，螺杆转动使得压力螺母向前直线运动，从而作用到制动活塞上，制动活塞再推动右制动蹄片挤压制动盘，达到驻车制动效果。
图1 施加驻车卡钳状态示意图
驻车制动过程中有以下待测试项：1)加驻启动峰值电流：即电机启动瞬间最大电流值；2)加驻空载电流：制动活塞接触到制动摩擦片之前的行程称为空载行程，此过程的电流即为加驻空载电流；3)加驻力：当施加到制动盘制动力达到设定范围时的力；4）加驻电流：加驻力点的电流值；5）加驻时间：当制动活塞接触到制动摩擦片时到施加制动力达到设定值的时间。
解除驻车制动时，电机反转带动压力螺母退回时，压力螺母并不会带动制动活塞移动，而是与制动活塞分离。制动活塞的回位依靠的是密封圈的复位作用完成的。正常的制动活塞移动时，位移是非常小的，在密封圈的形变范围之内，因此在解除制动时，密封圈的形变恢复力拉动制动活塞退回。
解除驻车制动过程中有以下待测项：1）解驻启动峰值电流：电机反转启动瞬间的最大电流值；2)解驻空载电流：当制动活塞与制动摩擦片分离时称为解驻空载过程，此时电流称为解驻空载电流。
根据客户测试指导要求上述测试特征指标合格标准如表1所示，图2所示为客户提供标准EOL性能曲线。
2 测试方案设计
2.1 性能测试方法及系统方案设计
参考QCT592—2013《液压制动钳总成性能要求及台架试验方法》标准，并结合企业测试指导需求，制定EPB卡钳EOL性能测试方法，结合EOL响应的3个过程，设计测试方案如下：根据EPB卡钳的工作原理和性能测试需求分析，进行系统整体设计，整体系统由功能硬件模块、测试软件、上位机控制系统等模块构成。
表1 性能测试参数合格标准
图2 标准EOL性能曲线
2.2 系统硬件模块设计
系统硬件基于模块化设计思路，以工控计算机为载体，按功能定义划分为数据采集与信号处理、下位机PLC模块、机械台架、电路设计等单元模块。图3为系统硬件功能模块结构图。
图3 系统硬件功能模块结构图
2.2.1 数据采集处理模块设计
为了满足系统高速实时、高精度采样的要求，系统使用研华科技高分辨率多功能数据采集卡PCI1716L进行数据采集，采样速率可达250 kS/s，用数据采集卡AI通道采集电压、力传感器和分流器的电压信号；DI通道用于处理用户操作和系统故障判断；DO通道用于控制继电器的动作。针对测试项目、测试量程、精度指标等要求，选择各路传感器。采用差分式模拟量输入接线方式，有效减少耦合到信号中的噪声。
2.2.2 机械平台设计
为了满足在线测试要求，机械平台主要由待测工件传送机构、工作平台、模拟制动块传送机构、待测卡钳固定机构组成。光电开关检测到待测产品传送机构到位后将模拟制动块向卡钳固定位置相反的位置移动，然后传送装置的气缸将卡钳顶起至卡钳固定机构以固定卡钳，然后将模拟制动块传送到位后通过模拟固定在模拟制动块的力传感器进行卡钳的性能检测。图4为本系统的机械平台。
图4 系统机械平台
2.2.3 测试电路设计
为了解决测试过程中电机启动瞬间电流值很大且要求采集频率很高的问题，应用微电阻设计分流器，通过数据采集卡实时采集微电阻两端的电压来计算电流值；为了模拟EPB卡钳工作的加驻和解驻过程，利用功率继电器实现正反转切换；为了解决在加驻测试完成时断开固态继电器后电机短时间反转产生的电流对电路造成的影响，通过续流二极管将电流续流到保护回路中。图5所示为测试系统电路图。
2.3 软件设计与测试流程
根据测试过程，以LabVIEW为开发平台，基于模块化设计思路进行软件设计。根据功能定义，将数据采集处理、产品传送与装夹、测试数据溯源、参数管理等分装成独立VI，通过方法节点和状态机根据测试流程动态载入功能模块，实现性能测试。图6为软件测试流程图。
图5 测试系统电路图
图6 软件测试流程图
将待测卡钳放至测试工装上，通过气缸夹紧，在可编程电源上设定测试参数，开启高速采集程序，首先使电机正向加载，模拟EPB加驻过程。加驻电流达到预设值允许范围时，加驻完成；等待1 s后，切换回路电流方向，使电机反向旋转2 s，模拟EPB解驻过程，采集程序实时采集加驻与解驻过程中各传感器数据，经滤波、取特征点等处理后以曲线和表格形式显示在测试界面上,并对测试结果进行判断后上传至MES系统，若测试结果不合格，则将其置于待返工工装位，报警提示。若测试结果合格，将其置于合格产品传输带，输出测试报告。
3 测试结果及数据分析
3.1 性能测试实验
性能测试前，设置各项测试参数，如表2所示。
表2 EOL性能测试条件
完成测试条件设置，将待测产品放入安放工位，按下启动按钮进入自动测试，采集所需测试数据并处理，得到测试曲线如图7所示。
图7 EOL性能测试曲线
利用阈值法提取EOL性能测试所需特征点结果如表3所示。
表3 EOL性能测试结果
结果表明：系统功能完善，产品测试数据合格。测试曲线与图2所示标准测试曲线基本吻合，说明测试结果准确。
3.2 测量系统分析
3.2.1 不确定度分析
根据JJF1059—2012《测量不确定度评定与表示》中不确定度的定义及评定要求对检测系统的测试电流值和力值进行不确定度评定。选择一件测试合格的EPB卡钳，由同一测试人员在相同测试条件下，重复测试50次，共计50组数据，如表4所示。
表4 重复性测试数据
检测系统由测量重复性引起的不确定度是采用统计分析法对不确定度值进行计算，属于A类不确定度评定；而来自于传感器、采集卡、可编程电源的不确定分量根据产品技术手册认为属于等概率事件，故假设服从均匀分布，属于B类不确定度评定。因此测试电流值由测量重复性引起的不确定度分量u1a用A类评定,由可编程电流源引起的不确定度分量u11和 数据采集卡引起的不确定度分量u12用B类评定；测试力值由测量重复性引起的不确定度分量u2a用A类评定，由力传感器引起的不确定度分量u21和 数据采集卡引起的不确定度分量u22用B类评定。
式中：Xi——单次测得数据；
n——测量次数；
Sg——标准偏差；
ua——算术平均值的标准差。
根据A类评定公式（1）、（2）可以求得测试电流I_peak_apply、I_idle_apply、I_clamp、I_peak_release、I_release、I_idle_release由测量重复性引起的不确定度分量分别为0.093 A、0.010 A、0.010 A、0.114 A、0.033 A、0.010 A；测试力值F_clamp由测量重复性引起的不确定度分量为0.035 kN。
根据B类评定方法，查阅相关资料可得，测试电流值由可编程电源引起的标准不确定度分量u11为0.006 A，数据采集卡引起的电流测试系统标准不确定度分量u12约为0.024 A；测试力值由力传感器引起的标准不确定度分量u21约为0.029 kN，数据采集卡引起的不确定度分量u22为0.024 kN。各测试参数合成标准不确定度为uc。
因为各测试参数之间相互独立，故用公式（3）计算各合成不确定度如表5所示，实验重复性较好，满足测试要求。
表5 不确定度分析结果
3.2.2 重复性分析
依据标准JBT 10633-2006《专用检测设备评定方法指南》[16]，采用MSA的测量能力指标对重复性进行评价。根据测量能力指标计算公式对系统测试数据进行计算，得到系统各功能项重复性测试数据如表6所示。
表6 重复性评定数据
结果表明：各项测量能力指标 Cg均大于1.33，验证了系统的稳定性。MSA测量能力指标计算公式：
式中：Xi——单次测得数据；
n——测量次数；
T——合格公差；
Cg——测量能力指数。
表6为系统重复性评定数据。依据评定方法指南：对于新系统验收要求各测试项测量能力指数Cg≥ 1.33。
4 结束语
基于EPB卡钳的结构特征和工作原理，制定EOL性能测试方案，设计了正反转切换电路和特征点截取算法，研制了EPB卡钳EOL性能在线测试系统，实现对其EOL性能的在线测试。经重复性评定，系统各项性能评价指标均符合《专用检测设备评定方法指南》中对新设备的验收要求，现投入相关客户现场用于EPB卡钳的出厂质量检测。
作者：陈宇飞1，郭 斌1，胡晓峰1，范伟军1，江文松1，赵 静2；1.中国计量大学计量测试工程学院，2.杭州沃镭智能科技股份有限公司
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